李雪鵬胡忠君金麗娜曾會(huì)淋

（吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長春 130026）

0 引言

隨著我國基建規(guī)模不斷擴(kuò)大，砂石消耗量巨大，原材料短缺導(dǎo)致砂石價(jià)格逐年上升。與此同時(shí)，每年因改造、拆建產(chǎn)生的廢棄混凝土產(chǎn)量亦達(dá)到幾十億噸的規(guī)模，如何消納這些固廢材料并將其資源化再利用成為行業(yè)關(guān)注和研究熱點(diǎn)［1-3］。再生骨料由于表面附有既存砂漿且有較多裂紋，強(qiáng)度和吸水率等與天然骨料略有不同，同時(shí)考慮骨料來源、骨料處理方式等影響，配制出的再生混凝土在力學(xué)性能上亦具有一定離散性，限制了其工程應(yīng)用范圍。將再生混凝土灌入鋼管形成鋼管混凝土可有效緩解再生混凝土強(qiáng)度離散性，按照鋼管是否承受豎向荷載，約束構(gòu)件可分為鋼管再生混凝土和鋼管約束再生混凝土兩種不同受力模式。肖建莊、陳宗平等學(xué)者針對(duì)鋼管約束再生混凝土開展的試驗(yàn)研究表明：鋼管約束使內(nèi)部核心再生混凝土強(qiáng)度明顯提升，變形性能得到改善，圓鋼管約束效果好于方鋼管，并在此基礎(chǔ)上建立了約束強(qiáng)度計(jì)算［4-7］模型?？紤]到目前針對(duì)圓鋼管約束再生混凝土（Recycled Aggregate Concrete Confined by Circular Steel Tube，RACCST）開展的研究工作仍較少，本文擬針對(duì)9根RACCST試件及9根再生素混凝土試件進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，研究粗骨料取代率對(duì)約束混凝土強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料及參數(shù)

本次試驗(yàn)選用水泥為硅酸鹽水泥，粗骨料取自建筑物拆除后的廢舊混凝土。再生粗骨料（Recyded Coarse Aggregate，RCA）經(jīng)過人工和機(jī)器兩次破碎后粒徑為5～35 mm，其表觀密度為2 365 kg/m3，吸水率為5.5%，壓碎指標(biāo)為13.7%。鋼管外徑為166 mm、壁厚3 mm、高450 mm，鋼管的屈服強(qiáng)度實(shí)測值為285 MPa，彈性模量為206 GPa。

1.2 試件設(shè)計(jì)及制作

設(shè)計(jì)9根RACCST試件及9根再生混凝土試件，依據(jù)RCA取代率不同分成三組，分別為0%、50%和100%，試件的命名法為：YG-0-1中YG表示RACCST試件，粗骨料取代率R為0%，試件編號(hào)為1號(hào)；Y-0.5-4中Y表示再生混凝土試件，粗骨料取代率R為50%，試件編號(hào)為4號(hào)。

將攪拌均勻的混凝土分別灌入圓鋼管和直徑155 mm、高450 mm的PVC模具中，澆筑后放置在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)1 min，最后抹平靜置，在自然條件下養(yǎng)護(hù)28 d，同時(shí)為保證鋼管不直接承擔(dān)豎向荷載，在距離鋼管兩端30 mm處開出兩條10 mm寬的切縫，形成鋼管約束混凝土試件。RACCST試件切縫處理及截面尺寸如圖1和圖2所示。

圖1 試件端部切縫處理Fig.1 Specimen end slit treatment

圖2 試件尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of specimen size

1.3 測點(diǎn)布置及加載制度

粘貼應(yīng)變片，首先打磨鋼管表面使其光滑，并且利用丙酮擦拭鋼管表面，在丙酮風(fēng)干后利用502膠水將應(yīng)變片固定在鋼管表面，試驗(yàn)應(yīng)變片采用河北邢臺(tái)金力傳感元件廠制造的電阻應(yīng)變計(jì)。

本次試驗(yàn)在力學(xué)實(shí)驗(yàn)室2 000 kN壓力機(jī)上進(jìn)行，在試件的兩端放置尺寸為200 mm×200 mm×10 mm的方形鋼板來保證受荷均勻，試件中部高度370 mm范圍內(nèi)側(cè)面對(duì)稱布置四個(gè)豎向位移傳感器（LVDT），試件半高處沿環(huán)向布置縱向和環(huán)向應(yīng)變片，試驗(yàn)加載裝置及測點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 加載裝置及測點(diǎn)布置Fig.3 Loading device and measuring point arrangement

試驗(yàn)采用分級(jí)加載，在試件到達(dá)預(yù)估極限峰值荷載60%以前，每級(jí)采用預(yù)估極限峰值荷載的1/10進(jìn)行加載；在預(yù)估極限峰值荷載60%～80%范圍內(nèi)，采用預(yù)估極限峰值荷載的1/15進(jìn)行加載，每級(jí)持續(xù)5 min；超過預(yù)估極限峰值荷載的80%以后，按照加載速率0.1 kN/s緩慢持續(xù)加載直至試件破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試件主要參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。隨RCA取代率的不斷增加，RACCST試件峰值荷載和峰值應(yīng)力均出現(xiàn)下降趨勢，不同RCA取代率組均以取代率為0%的三個(gè)試件最小值進(jìn)行對(duì)比分析，以YG-0-1為參照，當(dāng)RCA取代率從0%增加到100%，YG-0.5-5和YG-1.0-9峰值荷載和峰值應(yīng)力分別下降7.46%和15.87%。同條件下的再生混凝土試件，以Y-0-2為參照，當(dāng)RCA取代率從0%增加到100%，Y-0.5-5和Y-1.0-9峰值荷載和峰值應(yīng)力分別下降10.91%和23.77%，可見鋼管約束作用在提高試件承載力的同時(shí)也可在一定程度上緩解再生混凝土強(qiáng)度的離散性。

表1 試件主要參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Specimen main parameters and test results

2.1 試件破壞過程

試驗(yàn)加載初期，RACCST試件和再生混凝土試件基本處于彈性受力階段，外觀無明顯變化，當(dāng)加載達(dá)到RACCST試件峰值荷載的80%時(shí)，鋼管表面有部分銹斑脫落，試件中部區(qū)域的鋼管外壁開始出現(xiàn)環(huán)向膨脹變形；隨荷載增加，試件中部出現(xiàn)明顯的剪切滑移線，試件主要呈現(xiàn)出腰鼓型剪切破壞。再生混凝土試件破壞與普通混凝土試件破壞形態(tài)一致，無明顯差別。部分試件的破壞形態(tài)如圖4所示。

圖4 試件的主要破壞形態(tài)Fig.4 The main failure modes of specimens

2.2 鋼管受力分析

圖5為荷載-橫向變形系數(shù)曲線，εh和εv分別為鋼管中部環(huán)向應(yīng)變和縱向應(yīng)變，以YG-1.0-8為例，在加載初期，試件中部的εh和εv逐步增長，環(huán)向應(yīng)變小于縱向應(yīng)變，隨荷載增加，εh/εv比值逐漸增大，表明鋼管對(duì)核心混凝土的約束增強(qiáng)，后期曲線由于鋼管屈服出現(xiàn)斜率增大的現(xiàn)象。由圖6可以看出，試件中部應(yīng)變片測得的鋼管屈服點(diǎn)與峰值荷載位置基本對(duì)應(yīng)，可見鋼管不直接承受豎向荷載的加載模式，鋼管的環(huán)向約束作用更容易得到充分發(fā)揮。

圖5 荷載-橫向變形系數(shù)曲線Fig.5 Load-lateral deformation coefficient curve

圖6 荷載-豎向應(yīng)變曲線Fig.6 Load-vertical strain curve

2.3 約束混凝土強(qiáng)度計(jì)算

國內(nèi)外諸多學(xué)者均提出過適用于鋼管約束混凝土的強(qiáng)度計(jì)算模型，肖建莊等提出了考慮RCA取代率修正的混凝土強(qiáng)度計(jì)算模型；周緒紅、劉界鵬等［8-9］基于Mander模型［10］提出鋼管約束混凝土強(qiáng)度計(jì)算模型；滕躍［11］采用Mander模型建立了圓鋼管約束高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度計(jì)算模型，為了驗(yàn)證相關(guān)模型對(duì)預(yù)測RACCST試件約束混凝土強(qiáng)度計(jì)算的適用性，本文選取Mander模型、肖建莊模型、Peter［12］模型以及O'Shea［13］模型進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，約束混凝土強(qiáng)度計(jì)算模型如表2所示。

表2 約束混凝土強(qiáng)度計(jì)算模型Table 2 Calculation models of confined concrete strength

表3為依據(jù)上述四種模型獲得的約束混凝土峰值應(yīng)力計(jì)算值。本文計(jì)算過程中YG系列試件的核心混凝土強(qiáng)度為對(duì)比試件Y系列試件每組數(shù)據(jù)的平均值，例如YG-0系列試件的核心混凝土強(qiáng)度由對(duì)比試件Y-0系列確定，故未引入折減系數(shù)。

表3 四種模型計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比Table 3 The calculated values of the four models compared with the experimental values

由表3可以看出，隨著RCA取代率的逐漸增高，RACCST試件的峰值應(yīng)力計(jì)算值均呈下降趨勢；Mander模型峰值應(yīng)力計(jì)算值與試驗(yàn)值的比值區(qū)間為0.95～0.98，肖建莊模型峰值應(yīng)力計(jì)算值與試驗(yàn)值的比值區(qū)間為0.99～1.05，二者均吻合良好。O'Shea模型和Peter模型峰值應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均低于試驗(yàn)值，且Peter模型計(jì)算結(jié)果偏差較大，其最大誤差為18.08%。Mander模型、O'Shea模型、Peter模型和肖建莊模型計(jì)算值與試驗(yàn)值的比值的平均值分別為0.97、0.86、0.82和1.02，基于所有試件計(jì)算值與試驗(yàn)值的比值進(jìn)行整體誤差分析，通過圖形和數(shù)據(jù)分析認(rèn)為Mander模型和肖建莊模型針對(duì)本次試驗(yàn)均適用，由于本次試驗(yàn)設(shè)有對(duì)比試件，因而未采用肖建莊模型中的折減系數(shù)φ，為保證后續(xù)模型計(jì)算的統(tǒng)一性，故本文選用Mander模型對(duì)RACCST試件的峰值應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，圖7為模型峰值應(yīng)力的計(jì)算值與試驗(yàn)值比對(duì)圖。

圖7 峰值應(yīng)力計(jì)算值與試驗(yàn)值比對(duì)Fig.7 Peak stress calculation values and experimental values

2.4 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式

由于Mander模型的峰值應(yīng)力計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好，本文基于Mander模型，為考慮RCA取代率的影響，引入修正系數(shù)η，建立RACCST的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系方程如下：

式中：σc為混凝土當(dāng)前應(yīng)力；x為系數(shù)，x=εc/εcc；εc為混凝土當(dāng)前應(yīng)變；εcc為約束混凝土應(yīng)變，εcc=為系數(shù)，r=Ec/(Ec-Esec)；Ec為混凝土的彈性模量為混凝土峰值荷載處的割線量，Esec=f′cc/εcc；fcr為非約束再生混凝土強(qiáng)度，fcr=-5.45R+fco（由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合）；R為再生粗骨料取代率；fco為RCA取代率為0%的非約束混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)值的平均值；f′cc為修正后約束再生混凝土的強(qiáng)度，表達(dá)式為

式中：η為修正系數(shù)為鋼管提供的側(cè)向有效約束應(yīng)力為鋼管外徑，D=166 mm，t為鋼管厚度，t=3 mm，fy為鋼管的屈服強(qiáng)度，fy=285 MPa。

采用上述修正的Mander模型計(jì)算獲得的試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線和試驗(yàn)曲線對(duì)比如圖8所示，圖中模型計(jì)算曲線選取同條件三個(gè)對(duì)比試件fco均值進(jìn)行計(jì)算。由圖8可以看出，模型計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線基本吻合，說明修正后的Mander模型用以描述RACCST應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是適用的。

圖8 約束混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系計(jì)算與試驗(yàn)曲線對(duì)比Fig.8 Stress-strain relationship of confined concrete calculation with the test curves

3 結(jié)論

（1）隨著RCA的取代率增加，RACCST試件峰值荷載略有降低，當(dāng)RCA取代率從0%增加到100%，YG-0.5-5和YG-1.0-9相比于YG-0-1，試件峰值荷載分別下降7.46%和15.87%。

（2）驗(yàn)證了Mander模型、肖建莊模型、O'Shea模型和Peter模型計(jì)算RACCST試件約束混凝土強(qiáng)度的適用性，計(jì)算結(jié)果表明：Mander模型與肖建莊模型在峰值應(yīng)力預(yù)測上均具有良好的適用性。

（3）基于Mander模型本構(gòu)方程，引入RCA取代率修正系數(shù)，給出適用于RACCST試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式，計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線吻合良好。